龙马溪页岩溶蚀液的室内探索

时间：2024-09-03

刘伟，吴正良，高强，欧阳伟，夏先富, 吴谦, 刘庆

(1油气田应用化学四川省重点实验室 2中石油川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院 3中石油川庆钻探工程有限公司安全环保质量监督检测研究院)

国内龙马溪页岩气水平井钻井过程中，存在井壁失稳、阻卡等复杂[1]。2014年至今，中石油川渝地区旋转导向工具已埋井45套，经济损失严重。其中，2016年大面积使用油基钻井液以来，埋井41套，埋井率高达7.75%，埋井区域分布长宁-昭通、威远、自贡等区块。埋井的旋转导向复杂井中，卡钻事故都发生在水平段，主要是页岩掉块卡钻。目前，页岩掉块卡钻事故，处理难度大，处理手段少，使用机械方法震击、倒扣等耗时长，作业费用高，并且成功率较低，常用的解卡剂和常规盐酸[2]、土酸以及泡油都无法解除页岩掉块卡钻事故，因此，有必要针对龙马溪地层岩性组份特点，运用化学方法，研究出页岩溶蚀剂来破坏页岩结构和强度，达到解除页岩掉块卡钻的目的，并形成一套适合龙马溪页岩地层的高效溶蚀液。

一、龙马溪页岩成分分析

采用PANalytical公司生产的X-射线衍射仪，对取自不同区块龙马溪岩心进行了XRD矿物组分分析测试，其全岩分析结果见表1。

由表1可知，不同区块龙马溪岩样XRD分析表明，除黏土外，岩样成份以石英为主，高达35.3%～47.8%，其他成份的含量较低。

表1 各地层岩样XRD衍射全岩分析结果

二、溶蚀液关键处理剂的合成及溶蚀液配方构建

在实验室选择聚环氧琥珀酸钠、葡萄糖酸钠、络合剂、催化脂肪酶等在一定条件下催化合成主溶蚀剂CQ-YRS；选择环氧琥珀酸胺、乙二烯三胺五乙酸胺、活性凹凸棒土、有机络合剂等合成辅溶蚀分散剂CQ-YRF；采用几种不同表面活性剂记性复配制得页岩增渗剂CQ-YST；经过大量筛选，优选复配出页岩专用缓蚀剂CQ-YHS，采用合成的处理剂，在室内进行大量的配方优化，最终构建形成溶蚀液配方，其配方为：清水+5%～10%CQ-YRS+3%～5%CQ-YRF+1%～3%CQ-YST+1%～3%CQ-YHS。

三、溶蚀液机理浅析

页岩溶蚀液中的主溶蚀分散剂CQ-YRS和辅溶蚀分散剂为多种表面活性剂组成，二者相辅相成，通过络合作用机理，页岩掉块或者岩屑中的有机质发生有机络合反应，使有机质链发生断裂，从而破坏页岩掉块的整体框架结构，使其他处理剂能充分与之反应；溶蚀液中的页岩渗透分散剂CQ-YST，能渗透到页岩的微裂缝中，使溶蚀液的有效成分更完全地和页岩进行反应，达到快速溶蚀页岩的目的，各种处理剂共同作用，通过有机络合或者离子配伍形成络合物或水溶液的化合物，使页岩掉块进行部分或者全部溶蚀，从而解决掉块卡钻的问题。

溶蚀液中的配伍体与岩屑中的金属离子络合时形成的络合环越多[3]，配伍体与金属离子络合数量越多，络合效应越显著，络合物的稳定性也就越高。溶蚀液的阴离子与页岩组分中的阳离子形成五元或六元络合环，增大了页岩中难溶组分的溶解度，从而起到溶蚀作用。溶蚀液利用“极性相近相溶”原则，带有极性基团-OH、-CONH2、-ONa[4]和多种含强极性基团的络合物和表面活性剂，如溶蚀液中的聚环氧琥珀酸钠、丙烯酸-丙烯酸甲酯共聚物等，在络合、分散的作用下发生溶解，在一定条件下完成对钻页岩岩屑的溶解，变为易溶于水的络合物水合盐类。对于硅酸盐体系的页岩难溶成分，用该溶蚀液则发生催化、断链、配位、转化，最后生成易溶于水的小分子溶液，以达到解卡目的。

四、页岩溶蚀液溶蚀性能评价

1. 溶蚀率评价

1.1 页岩成块岩心溶蚀率对比评价

取昭通104井页岩岩心(单块质量为60 g左右)分别浸泡在清水、土酸和溶蚀液中，分别装入老化罐中在100℃温度下静恒温48 h后，取出开罐，经6目筛布清水筛洗后，烘干(80℃)，称重，计算页岩的溶解率，结果见表2。

表2 页岩岩心在不同溶液中浸泡后溶蚀率结果

结果表明：溶蚀液具有较高的溶蚀率，对页岩掉块有很好的溶蚀作用。原因是该溶蚀液与土酸的作用机理不同，溶蚀液是通过络合和页岩中的有机质发生反应，破坏页岩骨架，达到溶蚀目的。页岩中不含可以和土酸发生反应的物质，所以溶蚀率较低。

1.2 页岩岩心碎块溶蚀率对比评价

取昭通104井页岩岩心碎块(大小共10块，总量60 g左右)，浸泡在溶蚀液中，装入老化罐中在100℃温度下分别静恒温2 h、4 h、8 h、24 h、48 h，然后取出开罐，经6目筛布清水筛洗后，烘干(80℃)，称重，计算不同时间下页岩的溶蚀率，并绘制出溶蚀曲线，结果见图1、图2。

图1 岩心碎块在溶蚀液中浸泡前后图片

图2 岩心碎块溶蚀率曲线

从图2可以看出：页岩岩心碎块随时间的增加，溶蚀率增大，在48 h的溶蚀率大于50%，表明该溶蚀液溶蚀率较高。常用的土酸的溶蚀率在48 h只有4.79%，远低于溶蚀液的溶蚀率。

2. 腐蚀性能评价

2.1 溶蚀液对N80标准钢片的腐蚀评价

取4片石油行业标准钢片N80钢片，挂片分别放入装满溶蚀液的养护罐中，在100℃温度下分别静恒温8 h、16 h、24 h、48 h，然后开罐取出，烘干(80℃)，称重，计算出腐蚀率，并作出腐蚀率曲线，见图3。

图3 N80钢片腐蚀率实验率曲线

从图3可以看出：N80标准钢片在不同时间下的腐蚀率都小于国标规定的6 g/(m2·h)。远低于常用作解卡液的强酸盐酸和土酸对N80钢片的腐蚀率，表明溶蚀液对N80钢片的腐蚀率满足国标规定的要求。

2.2 溶蚀液对45#标准钢片的腐蚀评价

取低碳素钢45#原钢片挂片放入装满溶溶蚀液的养护罐中，因45#钢为质量较低的低碳素钢，若溶蚀液对45#钢的溶蚀率能达到国标要求，则现场使用的高于45#钢的钻具及管线均能达到要求。在100℃温度下分别静恒温48 h，然后开罐取出，烘干(80℃)，称重，计算出腐蚀率，见图4。

图4 45#钢片在溶蚀液中浸泡前后图片

从图4计算出在溶蚀液中浸泡48 h后的45#钢片的腐蚀率为4.226 g/(m2·h) ，小于国标规定的6 g/(m2·h)，表明溶蚀液对45#钢片的腐蚀率满足国标规定的要求。

3. 溶蚀液对定向仪器配件的腐蚀评价

分别取定向仪器不同配件铁皮筒(APS仪器)、海南仪器(APS仪器)、抗压筒(APS仪器)、无磁钻具、抗压块(海南仪器)、抗压块(APS仪器)，放入装满溶蚀液的养护罐中，在100℃温度下分别静恒温48 h，然后开罐取出，烘干(80℃)，称重，计算出溶蚀液对各个配件的腐蚀率均为0，表明溶蚀液对定性仪器无任何腐蚀。